آیا اینشتین درست می گفت

تأثیر گذشته و آینده بر حال
بسیاری از فیزیكدانان و فلاسفه علم، معتقدند كه مكانیك كوانتومی عجیب به نظر می آید زیرا كه ما معتقدیم كه فقط گذشته بر حال تاثیر گذار است. اما اگر آینده نیز بر حال تاثیر گذار بود، پاسخ چه بود؟ در این صورت، كیفیت احتمالاتی مكانیك كوانتومی می تواند ناشی از غفلت ما از آینده و آنچه اتفاق خواهد افتاد، باشد. این تصور طی چند دهه گذشته توسط مارك هادلی از دانشگاه وارویك انگلستان قوت گرفته است. وی می گوید: «در نظریه نسبیت عام همان قدر كه گذشته موثر است آینده نیز تاثیر دارد و طبیعی است كه گذشته و آینده هر دو در حال تاثیر گذارند.» هادلی می گوید: «مشاهدات آتی نشان خواهد داد كه آینده نیز یكی از متغیر ین نهان است.»آلبرت اینشتین برخلاف بسیاری از معاصرانش گمان می كرد كه روزی نظریه كوانتومی نیز در جایگاهی قرار می گیرد كه امروزه مكانیك كلاسیك قرار دارد یعنی تقریبی از یك تئوری كامل تر. امروزه پژوهشگران آمادگی پذیرش چنین نظریه ای را دارند. اینشتین به چنان جایگاهی در فیزیك رسیده كه گمان این كه ممكن است اشتباه كرده باشد، بی احترامی به او به نظر می آید. حتی شهرت «اشتباه بزرگ اینشتین» صرفاً قابل اعتماد بودن وی را تقویت می كند. برای مثال اشتباه احتمالی او مشاهدات نجومی را بسیار خوب توضیح می دهد.۱ در جایی كه بسیاری از غیرمتخصصان فیزیك فكر می كنند كه با اشتباه خواندن نظرات اینشتین به وی بی احترامی كرده اند، طیف غالب فیزیكدانان نظری، درستی احتمالی نظریه وی در خصوص آینده مكانیك كوانتومی را تعجب آور می دانند.با این كه هیچ كس در بزرگی اینشتین شك ندارد، اما فیزیكدانان و مورخان علم نمی دانند كه در بین سال های ۱۹۲۰ تا ۱۹۳۰ چه اتفاقی برای او افتاد كه او از نظریه كوانتوم كه خود نقش بسزایی در تحكیم آن داشت، روی گرداند. در كتاب های درسی و زندگی نامه ها، از اینشتین به عنوان پدر خسته كوانتوم یاد شده است. در سال ۱۹۰۵ او با نوشتن مقاله ای در توجیه اثر فوتوالكتریك با استفاده از كوانتوم های انرژی پلانك، در معرفی مفاهیم بنیادین مكانیك كوانتومی تلاش فراوان كرد. اما با جا افتادن هر چه بیشتر این تئوری همه تلاش هایی كه برای تائید این نظریه كرده بود را بی اهمیت خواند. او در اثبات نظریه نوین كوانتومی نه تنها تلاش زیادی نكرد بلكه به نوعی با اصول این نظریه مخالف بود و در جهت از بین بردن آن تلاش بسیار كرد. پیش زمینه های فلسفی _ ذهنی وی باعث شده بود كه در مخالفت با نظریه مكانیك كوانتومی نوین۲ این عبارت معروفش را به كار ببرد كه: «خداوند برای اداره دنیا تاس نمی ریزد.» چنین به نظر می رسد كه عقلانیت علمی او رو به افول بوده است! برخلاف روند كلی مكانیك كوانتومی، اینشتین دهه های پایانی عمرش را صرف جست وجو برای یافتن یك نظریه وحدت یافته فیزیكی كرد كه حتی امروزه هم یك رویای دوردست به نظر می رسد. نظریه پردازان امروزی فیزیك به خصوص كسانی كه روی نظریه «ریسمان» كار می كنند، پس از مطالعه گفته های اینشتین، به ظاهر عهد كرده اند كه در راهی كه وی قدم گذاشت، هرگز وارد نشوند. تصور آنها بر این است كه در جایی كه صحبت از نظریه نسبیت عام (كه گرانش را توضیح می دهد) و فیزیك كوانتومی (كه سایر نیروهای طبیعت را توضیح می دهد) است، این نسبیت است كه باید به نفع كوانتوم از صحنه خارج شود. با این كه نسبیت عام كه شاهكار اینشتین است، به طور مطلق اشتباه نیست، اما نهایتاً از آن به عنوان یك تخمین بسیار عالی از یك نظریه كامل تر «گرانش كوانتومی» یاد می شود.
• نظریه های ردشده
در سال های اخیر، وقتی فیزیكدانان نتایج پایه ای مكانیك كوانتومی را مورد مطالعه قرار دادند، پیش بینی اینشتین درباره آینده آن را بسیار تحسین كردند. كریستوفر فاشس از آزمایشگاه بل می گوید: «آلبرت، بیشتر از آنچه كه گفته شده، عمیق و سریع مشكلات اساسی مكانیك كوانتومی را دیده و شناخته است.» حتی طیفی [البته كمتری] از فیزیكدانان با نظریات اینشتین موافق بوده و معتقدند كه سرانجام مكانیك كوانتومی باید جای خود را به یك تئوری اساسی تر بدهد. رافائل بوسو از دانشگاه كالیفرنیا در بركلی (UCB) می گوید: «ما نباید بر این باور باشیم كه مكانیك كوانتومی می تواند همه چیز را اثبات كند.» اینها جملاتی بسیار مهم در عصر ما هستند زیرا مكانیك كوانتوم موفق ترین نظریه علمی در توجیه ساختارهای طبیعت در طول تاریخ علم بوده است. مكانیك كوانتومی جانشین همه نظریات كلاسیك شده و البته گرانش تنها حوزه ای از فیزیك نظری است كه از آثار مكانیك كوانتومی در امان بوده است. بیشتر فیزیكدانان معتقدند كه سرانجام طی گذر زمان همه نظریه های فیزیكی از اصول اساسی مكانیك كوانتومی پیروی خواهند كرد. گذشته از اینها در نظریه نسبیت عام نیز لغزش هایی پیدا شده است. برای مثال پیش بینی نسبیت عام از آنچه كه در سیاهچاله ها می گذرد بسیار ناقص است و عملاً چیزی نمی گوید. یك راه طبیعی برای غلبه بر این لغزش ها و كاستی های نسبیت عام، بردن این نظریه به سمت یك تئوری كوانتومی گرانش است مانند نظریه ریسمان. اما البته در مكانیك كوانتومی هم مشكلاتی دیده می شود كه آلبرت اینشتین جزء اولین كسانی بود كه به این نواقص پی برد. برای مثال كوانتوم هیچ دلیلی برای وقوع برخی پدیده های فیزیكی ارائه نمی دهد و فقط احتمال وقوع آنها را پیش بینی می كند و همچنین راهی برای رسیدن به خواص درونی اشیا معرفی نكرده و در این مورد ساختار معقول محكمی ندارد.۳ به علاوه، زمان و مكان در نظریه مكانیك كوانتومی متعلق به دوران قبل از نظریه نسبیت خاص اینشتین است. برای مثال مكانیك كوانتومی می گوید كه حجم یك سطل ۸ لیتری، ۸ برابر یك سطل یك لیتری است. این در زندگی روزمره صادق است. اما نباید نظریه نسبیت خاص اینشتین برای سطلی كه با سرعت خاصی در حال حركت نسبت به ما است، این سطل ۸ لیتری تنها برای ۴ لیتر آب گنجایش دارد. این محدودیت به حد هولوگرافیك مشهور است. وقتی كه یك سطل پر است، اضافه كردن آب به آن تنها باعث سرریز شدن ماده داخل آن می شود. این نه تنها شكست نظریه نسبیت نیست، بلكه نقص مكانیك كوانتومی را نشان می دهد.۴چیزی كه واضح است این است كه یك نظریه ناقص را باید كامل كرد. از شروع دهه ۱۹۲۰ بسیاری از پژوهشگران سعی در كامل كردن نظریه كوانتومی با استفاده از «متغیرهای نهان» داشته اند. آنها معتقدند كه مكانیك كوانتوم در واقع برگرفته از مكانیسم های علیتی قدیمی است و این تعبیر احتمالاتی به دلیل وجود متغیرهایی است كه از دید ما نهان هستند و نه چیز دیگری. ذرات، مسیر و حركت كاملاً مشخص خود را دارند.۵ اما از آنجا كه ما نظم زیربنایی حركات آنها را نمی بینیم این حركات را احتمالاتی تصادفی و نامنظم می نامیم. كارستن ون بروك از دانشگاه شفیلد انگلیس می گوید: «در این مدل ها، حركت تصادفی در مكانیك كوانتومی مانند چرخش سكه در هوا است كه به نظر تصادفی می آید. اما اگر ما همه پارامترهای لازم را لحاظ كنیم می توان با استفاده از مكانیك كلاسیك معادلات قاطعی نوشت كه می گویند كدام روی سكه می آید.»
• حركت براونی
حركات ذرات گرد و غبار به نظر تصادفی می آیند، اما بنا به آنچه كه اینشتین نیز در سال ۱۹۰۵ گفته در واقع این حركات ناشی از حركت مولكول های هوا هستند كه معادلات مكانیك كلاسیك بر آنها حاكم است. معادلات مكانیك كوانتومی نیز تشابه مرموزی با نظریه جنبشی گازها و تعابیر احتمالاتی به كار رفته در مكانیك آماری دارند.۶ در بعضی از فرمول های مكانیك آماری، ثابت پلانك كه ثابت اصلی نظریه كوانتومی است، نقش ریاضی دما را برعهده دارد، در واقع مثل این می ماند كه بگوییم، مكانیك كوانتومی حركت بعضی گازها و به طور كلی مولكول ها را در دمای پائین به خوبی شرح می دهد.
وقتی فیزیكدانان با تئوری هایی مانند نظریه متغیرهای نهان روبه رو می شوند، قبل از این كه به طور كامل بتوانند آنها را به طور تجربی مورد آزمایش قرار دهند، این نظریات را با معیارهای عملی (Pragmatic) می سنجند. آیا این نظریه به طور عملی به دردبخور است؟ برای مثال در طول تكامل نظریه ریسمان به قوانین فیزیكی و ریاضیاتی فراوانی دست یافته ایم كه حتی اگر این نظریه توسط تجربه هم رد شود، چیز زیادی از دست نرفته است.
بسیاری از فیزیكدانان با استفاده از همین منطق پراگماتیستی، نظریه متغیرهای نهان را رد می كنند. آنها معتقدند كه تئوری هایی كه با استفاده از متغیرهای نهان سعی در توجیه پدیده ها دارند، توانایی پیش بینی حوادث جدید را نداشته، هیچ قانون محكم فیزیكی معرفی نكرده و نمی توانند نتایج كوانتوم را بدون استفاده از قوانین رد شده كلاسیك كه استفاده از آنها در نظریات جدید توصیه نمی شود، توصیف كنند. خود اینشتین پیش از بی اساس خواندن نظریه متغیرهای نهان آنها را به دقت مورد مطالعه قرار داد. او نتیجه گرفت كه نقایص مكانیك كوانتومی را نمی توان با عناصر كلاسیك برطرف كرد. وی بر این باور بود كه برای كامل كردن نظریه مكانیك كوانتومی باید ساختارهای فیزیكی را به طور كامل دوباره مطالعه كرد. طی پنج سال گذشته، نظریه متغیرهای نهان دوباره زنده شده است و این را مدیون گرارد ت هوفت فیزیكدان و نوبلیست برجسته دانشگاه اوترخت هلند است كه به معرفی فرضیه های بنیادین مشهور است، هوفت معتقد است كه تفاوت مكانیك كوانتومی و مكانیك كلاسیك فقدان اطلاعات كافی است. ما اطلاعات بیشتری درباره سیستم كلاسیك داریم چرا كه متغیرهای كلاسیك پیوسته هستند اما متغیرهای كوانتومی، در حالت های گسسته قرار دارند. پس اگر بخواهیم فیزیك كوانتومی را جانشین فیزیك كلاسیك كنیم، اطلاعات زیادی را باید نادیده بگیریم. این امر ممكن است در اثر اصطكاك با سایر نیرو های اتلافی باشد. اگر دو سكه را از بالای ساختمانی بلند با سرعت های متفاوت پرتاب كنیم، اصطكاك هوا باعث می شود كه این دو سكه سرانجام به یك سرعت یكسان نهایی برسند. شخصی كه در پیاده روی پایین ساختمان ایستاده، به سختی می تواند سرعت دقیق پرتاب سكه ها را تشخیص دهد. این اطلاعات نامعلوم نوعی متغیر نهان هستند. در این مثال و مثال های دیگر كه معروف به موقعیت های جذب كننده۷ هستند، بسیاری از حالات متفاوت آغازین به رفتاری یكسان طی مسیر تبدیل می شوند. این حالت ها همانند حالت های كوانتومی گسسته هستند. با این تفاوت كه برخلاف مكانیك كوانتومی، از قوانین مكانیك نیوتنی تبعیت می كنند. هوفت معتقد است كه در واقع این قوانین برگرفته از فیزیك نیوتنی، جدا از قوانین مكانیك كوانتومی نیستند. بنابراین طبیعت می تواند در جزئیات به طور كلاسیك رفتار كند در حالی كه در مسائل اتلافی به صورت كوانتومی عمل نماید. ماسیمو بلاسون از دانشگاه سالرنو ایتالیا می گوید: «مكانیك كوانتومی را باید به عنوان حد پایین انرژی یك نظریه پایه ای بدانیم.»بلاسون و همكارانش پس از مطالعه دقیق این نظریه نشان دادند كه یك نوسانگر هماهنگ خطی كوانتومی (كه نمونه كوانتیده یك پاندول است) از یك جفت نوسانگر تحریك شده با اصطكاك ساخته شده است. هر نوسانگر به تنهایی از قوانین كلاسیك پیروی می كند اما در جایی كه این نوسانگر ها به هم متصل می شوند، دیگر از قوانین مكانیك كوانتومی پیروی می كنند. برنت مولر از دانشگاه دوك و همكارانش ثابت كرده اند كه یك سیستم فیزیكی كلاسیك پنج بعدی می تواند در فضای چهار بعدی رفتاری كوانتومی داشته باشد. ون دو بروك معتقد است كه یك منبع نیروی اصطكاك باعث تبدیل یك سیستم كلاسیك به یك سیستم كوانتومی می شود. این كار ممكن است توسط گرانش انجام شود.• پیوستگی زمانی
بسیاری از فیزیكدانان و فلاسفه علم، معتقدند كه مكانیك كوانتومی عجیب به نظر می آید زیرا كه ما معتقدیم كه فقط گذشته بر حال تاثیر گذار است. اما اگر آینده نیز بر حال تاثیر گذار بود، پاسخ چه بود؟ در این صورت، كیفیت احتمالاتی مكانیك كوانتومی می تواند ناشی از غفلت ما از آینده و آنچه اتفاق خواهد افتاد، باشد. این تصور طی چند دهه گذشته توسط مارك هادلی از دانشگاه وارویك انگلستان قوت گرفته است. وی می گوید: «در نظریه نسبیت عام همان قدر كه گذشته موثر است آینده نیز تاثیر دارد و طبیعی است كه گذشته و آینده هر دو در حال تاثیر گذارند.» هادلی می گوید: «مشاهدات آتی نشان خواهد داد كه آینده نیز یكی از متغیر ین نهان است.»هادلی مدعی است كه منطق بنیادین مكانیك كوانتومی، چیزی خارج از نظریه نسبیت نیست. او یكی از نظرات اینشتین را كه در دهه ۱۹۳۰ روی آن كار می كرده زنده كرده است. این نظریه می گوید: ذرات بنیادی چیز هایی نشسته روی فضا _ زمان نیستند بلكه خود فضا - زمان هستند. آنها تكه هایی چسبیده به محور زمان نیستند بلكه گره هایی بافته شده پشت سر هم روی محور زمان اند. اما این نظر زیاد مورد قبول نبود زیرا همسانگردی خاص ذرات كوانتومی را نمی توانست شرح دهد. اما هادلی مدعی است كه این مشكل را حل كرده است. آنچه كه از گفته های هادلی و هوفت برداشت می شود این است كه در تلاش های این دو مزیت نسبت به تلاش های گذشته روی متغیر های نهان دیده می شود. اول اینكه ارتباط دادن بین واقعیت مشاهده شده كوانتومی و فیزیك كلاسیك بسیار سخت است. البته این سختی به شدت مورد علاقه فیزیكدانان است، زیرا آنها معتقدند كه یك تئوری بنیادی باید سخت باشد. آنها می گویند مفاهیم باید به حدی باارزش باشند كه بتوان آنها را روی پیراهن ها چاپ كرد و در عین حال باید به حدی عجیب باشند كه كسی نتواند ادعا كند كه مفهوم آن را سریع فهمیده است. دوم این كه نظرات این دو فیزیكدان، حوادثی قابل تحقیق و آزمایش را پیش بینی كرده اند. برای مثال ون دوبروك معتقد است كه میدان های قوی گرانشی خواص كوانتومی را تغییر می دهند.
جالب است كه نظریات مشابه دیگری در روند كلی همین تئوری ها به وجود آمده اند. در تئوری ریسمان یك سیستم كوانتومی از نظر ریاضی می تواند برابر یا متفاوت با یك سیستم كلاسیك باشد. برخی از این دوگانگی ها شامل سیستم های مكانیك آماری هستند كه مشابه روش تحقیق مولر و همكارانش هستند. عده كمی از نظریه پردازان ریسمان، پا را فراتر گذاشته و می گویند كه سیستم كوانتومی بی اغراق، یك سیستم كلاسیك است. اما برین گرین از دانشگاه كلمبیا در نیویورك می گوید: «مشاهده و مطالعه این برابری ها، تفاوت و در نتیجه اصول زیربنایی مكانیك كوانتومی را شرح می دهد.» برگرفته از این نظریه كه مكانیك كوانتومی را می توان از نسبیت به دست آورد، اخیراً بوسو اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را از مفهوم «حد هولوگرافیك» استخراج كرده است.آنچه در اینجا گفته شد، نشان می دهد كه فیزیكدانان نظریه متغیرهای نهان را وزنه ای بزرگ می دانند. فیزیك كوانتومی مانند جنگلی مملو از حیوانات عجیب و مرداب های پایان ناپذیر است و سعی در تبدیل این نظریه به نظریه كلاسیك مانند تلاش برای تبدیل جنگل آمازون به یك باغ سنگی تفریحی است. به جای بازسازی و آسیب رساندن به طبیعت آن باید سعی در جداكردن آن از فیزیك كلاسیك و پیداكردن اصول بنیادی آن كرد. این هدف اصلی فاشس و همكارانش در روند كلی مطالعه ساختاری مكانیك كوانتومی بوده است. فاشس و همكارانش بر این باورند كه بیشتر تئوری كوانتومی درونی است. آنها می گویند: تئوری كوانتوم خواص خارجی سیستم های فیزیكی را شرح نمی دهد بلكه سعی در توصیف دانشی دارد كه فیزیكدانان آن را مورد مطالعه قرار داده اند. پس از این كه اینشتین درهم تنیدگی حالت های كوانتومی (رابطه فوق نوری دو ذره دور از هم) را مورد انتقاد قرار داد ۸ به چنین نتیجه ای دست یافت. رابطه فیزیكی در واقع چیزی جز دانش فیزیكدانان درباره دو ذره نیست۹. گذشته از همه اینها، اگر در واقع چیزی به اسم رابطه فیزیكی وجود داشت، می توانستیم علائمی را با سرعت بیش از سرعت نور ارسال كنیم كه نقیض یكی از اصول موضوعه نسبیت خاص است. برای مدت ها، فیزیكدانان معتقد بودند كه اندازه گیری یك سیستم كوانتومی باعث از بین بردن همه احتمالات و قرارگرفتن سیستم در یك حالت خاص می شود.۱۰ فاشس می گوید این فقط عدم قطعیت ما در مورد سیستم است كه از بین می رود. راه حل برای از بین بردن عدم قطعیت، این است كه از ویژگی های درونی تئوری بگذریم تا بتوانیم ویژگی های واقعی خارجی را مورد مطالعه قرار دهیم. عدم قطعیت در مكانیك كوانتومی با عدم قطعیت در مكانیك كلاسیك متفاوت است و همین تفاوت، راهنمایی است برای فهمیدن چگونگی رخداد حادثه. از نظر مكانیك كلاسیك، یك گربه یا زنده است یا مرده. اما مكانیك كوانتومی می گوید تا زمانی كه به گربه نگاه نكنیم (آزمایش نكنیم) یك گربه نه زنده است و نه مرده ۱۱ ما با نگاه كردن به گربه، او را مجبور می كنیم كه در یكی از دو حالت زنده یا مرده با شانس ۵۰-۵۰ قرار بگیرد. برای اینشتین این نظریه قراردادی بود. متغیرهای نهان مطلق بودن نظریه را از بین می برند. جهان فیزیك كلاسیك كمتر از جهان فیزیك كوانتومی قراردادی نیست. تفاوت در جایی است كه این قراردادی بودن خود را نشان می دهد. در فیزیك كلاسیك این قراردادی بودن به آغاز زمان بازمی گردد و می گوید وقتی جهان خلق شد، مانند یك قطعه از قبل چیده و آماده شده بود. اما از نظر فیزیك كوانتومی جهان اجزای خود را طی گذر زمان و با مداخله ناظرها به وجود می آورد. فاشس این نظریه را «تغییر جنسی فیزیك كوانتومی» می نامد. او می گوید: «هیچ تك راه شناخته شده واحدی برای جهان نیست، چرا كه جهان هنوز در حال خلق شدن و شكل گیری است. چیزی شبیه به همین تعریف را می توان از درك ما درباره فیزیك كوانتومی نیز گفت.»

پی نوشت ها:
۱- اشتباه معروف اینشتین در سال ۱۹۱۱ در محاسبه انحراف نور بود كه اثرات نسبیت خاص را لحاظ نكرده بود. مترجم
۲- مكانیك كوانتومی یك نظریه احتمالاتی است. م
۳- نویسنده به مشكلات مدل استاندارد ذرات بنیادی اشاره دارد. برای مطالعه بیشتر به سخنرانی گرارد ت هوفت در هنگام دریافت جایزه نوبل در سال ۱۹۹۹ مراجعه كنید. م
۴- به نظر می رسد كه نویسنده مكانیك كوانتومی نسبیتی كه در سال ۱۹۳۰ توسط دیراك تدوین شد را فراموش كرده است. م
۵- طبق اعلام عدم قطعیت هایزنبرگ مسیر و حركت ذره را همزمان نمی توان به طور دقیق مشخص كرد. م
۶- نظراتی مبنی بر نادرستی این حرف ارائه شده است. برای مطالعه بیشتر می توانید به نوشته های پوپر در مورد احتمالات در مكانیك كوانتومی مراجعه كنید. م
۷- Attractor
۸- آزمایش ذهنی اینشتین، پودولسكی و روزن (EPR) برای نشان دادن نقص مكانیك كوانتومی. م
۹- این بینش، برگرفته از جواب نیلز بور به آزمایش EPR و رد نقص مكانیك كوانتومی است. م
۱۰- مسئله تقلیل تابع موج. م
۱۱- طبق ادعای مكانیك كوانتومی، گربه نه زنده است و نه مرده بلكه در حالت (مرده + زنده) قرار دارد!

ژرژ موزر
ترجمه : مهدی صارمی فر-زهرا بخشی

منبع : روزنامه شرق